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双波长数字锁相光学拓扑成像系统的设计及实验研究

作　者: 陈琛
导　师: 高峰
学　校: 天津大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 光学拓扑数字锁相血红蛋白浓度修正的 Beer-Lambert定律
分类号: O657.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近红外光谱技术（Near-Infrared Spectroscopy，NIRS）作为一种生物检测技术越来越受到广泛的关注，光学拓扑成像技术就是在近红外光谱技术的基础上发展而来的，作为现有脑功能成像模态如脑功能磁共振成像(fMRI)、脑电图(EEG)以及脑磁图(MEG)等极为有效的补充，其在脑科学研究、临床诊断和康复治疗有着非常重要的意义。目前，市场上已经推出了多种不同的近红外光学拓扑成像系统，但其结构复杂、价格昂贵，难以普及，为此，设计出一种结构简单、性价比高的近红外光学拓扑成像系统一直是该领域研究者的努力方向之一。我们设计了一种双波长数字锁相光学拓扑成像系统，本系统采用数字锁相检测技术实现双波长并行检测，并大大改善了系统测量的信噪比。采用光开关则简化了系统对光源的编码过程，同时，本文在系统探测器的输出端增加了增益可调放大器对输出的微弱信号进行多档放大，提高了系统探测灵敏度和灵活性，从而降低了系统对探测器的要求。此外，还设计了数据采集控制程序及界面。结合该系统的特点，我们选择修正的 Beer-Lambert定律作为重建算法模型，该算法简单、稳定性好，在前期的定性研究中取得了较好的效果。本文对系统的结构做了整体描述，还对每个组成部分做了详细介绍，并且对系统进行了可行性验证、仿体实验验证以及在体实验验证。该光学拓扑成像系统旨在以血红蛋白的浓度变化为指标，最终实现脑功能成像研究。在仿体实验中，以和人体组织具有相似光学特性的仿体为目标体，通过改变目标区域吸收系数变化来达到模拟的目的，并对该目标区域进行吸收系数变化量的重建成像；考虑到大脑结构和脑组织的复杂性，前期的在体实验暂以人体手臂为目标体，通过松拳、握拳等来改变手臂某区域组织中血红蛋白的变化，并对该目标区域进行重建成像。结果表明，该成像方法能在一定程度上对血红蛋白发生变化的区域进行有效分辨，并能反映出目标区域血红蛋白变化的趋势，对最终的的脑组织功能成像研究奠定了基础。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-14
  1.1 引言  8
  1.2 近红外光学测量  8-11
    1.2.1 近红外光学测量的研究意义  8-9
    1.2.2 近红外光在组织体中的传播特点  9-10
    1.2.3 近红外光学测量的方式  10-11
  1.3 光学拓扑成像方法  11-13
    1.3.1 光学拓扑成像的定义及研究意义  11
    1.3.2 光学拓扑成像方法的基本原理  11-13
  1.4 主要研究内容  13-14
第二章光学拓扑成像的总体设计方案  14-18
  2.1 系统的总体设计方案  14-17
    2.1.1 测量模式  14-15
    2.1.2 源-探测光纤布配  15-16
    2.1.3 检测方法  16
    2.1.4 重建算法  16-17
  2.2 小结  17-18
第三章数字锁相检测技术  18-24
  3.1 数字锁相检测技术的基本原理  18-21
  3.2 数字锁相检测技术的验证  21-23
  3.3 小结  23-24
第四章双波长数字锁相光学拓扑成像系统  24-40
  4.1 光源模块  25-31
    4.1.1 正弦信号调制器  25-28
    4.1.2 激光源  28-30
    4.1.3 波分复用器与光开关  30-31
  4.2 源-探测布配贴片  31
  4.3 探测模块  31-37
    4.3.1 光电探测器  32-34
    4.3.2 增益可调放大器  34-35
    4.3.3 数据采集卡  35-37
  4.4 基于数字锁相检测技术的重建算法  37-38
  4.5 小结  38-40
第五章双波长数字锁相光学拓扑成像系统的实验验证  40-57
  5.1 系统的可行性验证  40-42
    5.1.1 反射光信号幅值随源-探测距离变化的规律验证  40-41
    5.1.2 反射光信号幅值随调制信号幅值变化的规律验证  41-42
  5.2 仿体实验验证  42-48
    5.2.1 不同的目标位置  43-45
    5.2.2 不同的吸收系数  45-46
    5.2.3 灵敏度的测定  46-48
  5.3 在体实验验证  48-56
    5.3.1 不同的目标区域  48-52
    5.3.2 不同的受试者  52-54
    5.3.3 讨论  54-56
  5.4 小结  56-57
第六章总结和展望  57-59
  6.1 工作总结  57-58
  6.2 工作展望  58-59
参考文献  59-63
发表论文和参加科研情况说明  63-64
致谢  64

双波长数字锁相光学拓扑成像系统的设计及实验研究

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